12-9. Зеркала для разных волн
Спокойная поверхность воды дает зеркальное отражение. Но подул ветерок, по воде пробежала рябь — и нет уже зеркального отражения, изображение пропало.
Зеркальное отражение дает только «гладкая» поверхность, т. е. такая, неровности которой не превышают сотых долей от длины отражаемой волны.
Длина волны видимого света — это десятые доли микрона. Следовательно, неровность поверхности, зеркально отражающей видимый свет, не должна превышать сотых долей микрона. Более шероховатая поверхность будет отражать диффузно, т. е. рассеивать лучи во все стороны.
Длина и ширина самых маленьких зеркал, применяемых в оптике видимого света, обычно в тысячи раз превышает длины отражаемых волн. В таких оптических зеркалах характерно то, что неровности поверхности не превышают миллионных долей от размеров самой поверхности.
А теперь рассмотрим ряд зеркал, предназначенных для все более длинных электромагнитных волн. Для сантиметровых волн поверхность зеркала может иметь миллиметровые неровности. Для этих волн зеркало можно сделать из грубо обработанного металлического листа или, например, из дерева, покрытого проводящей краской (из металлического порошка). Подобная конструкция уже не может отражать зеркально световые лучи, а будет их рассеивать во все стороны — отражать диффузно. Поверхность, зеркальная для сантиметровых волн, может являться матовой для волн световых.
Оптические устройства для сантиметровых волн обычно превышают своими размерами длину волны только в десятки раз. Допустимые неровности отражающей или преломляющей поверхности только в сотни раз меньше размеров всей поверхности.
При переходе от оптики видимого света к оптике сантиметровых волн произошло изменение качества. Иные материалы применяются для изготовления зеркал, иные приемы и методы обработки, иные и правила эксплуатации.
Еще большие изменения конструктивных форм происходят при переходе к зеркалам для более длинных волн — трансформаторам с Ζ/λ<10.
Для дециметровых электромагнитных волн в качестве зеркал часто берут не сплошную проводящую поверхность, а поверхность, составленную из отдельных тонких металлических полосок или проволок. В подобных конструкциях малы затраты металла, а потери при отражении невелики. Чтобы волна не проваливалась сквозь решетчатую поверхность, достаточно зазоры между отдельными проводниками сделать меньше четверти длины волны. И, чтобы коэффициент отражения был близок к единице, достаточно, чтобы ширина каждого проводничка занимала незначительную часть зазора между проводничками.
И вот уже отражение—трансформация потока волн— производится сеткой из проводников. При направленной радиосвязи одна сетка из проволок — передающая антенна излучает волны. Другая подобная сетка — приемная антенна воспринимает электромагнитные излучения.
Чем длиннее электромагнитная волна, тем больше могут быть в направленной антенне расстояния между отдельными проводниками и тем больше может быть отношение расстояния между проводниками к толщине самих проводников без того, чтобы ухудшить коэффициент отражения.
Отражение электромагнитной волны происходит вследствие того, что волна наводит быстропеременные токи в проводниках. Чем длиннее волна и, следовательно, ниже частота наведенных токов, тем меньше потери в проводниках направленной антенны.
Часто нет необходимости применять для Излучения и отражения электромагнитных волн сетку. Достаточно, если зеркало может проводить ток в одном направлении — в направлении действия электрических сил. В перпендикулярном направлении, где действуют магнитные силы, электропроводность не нужна. Зеркала для метровых волн выполняются уже не из сетки, а из набора тонких линейных проводников.
Произошло еще одно качественное изменение при переходе от дециметровых волн к метровым. И терминология в этой области волн уже применяется иная, нежели в оптике. Набор токонесущих проводников, направляющих электромагнитную волну, уже чаще называют не зеркалом, а системой вибраторов. Изменяя длину каждого вибратора, включая в вибраторы катушки и конденсаторы, можно влиять на циркулирующий в вибраторе ток. В оптике световых и сантиметровых волн, чтобы придать требуемое направление электромагнитному лучу, обычно видоизменяют кривизну поверхности зеркала. Для метровых волн удобно менять не кривизну поверхности, по которой расположены отражающие и излучающие электромагнитную энергию вибраторы, а изменять циркуляцию токов в вибраторах — изменять настройку отдельных вибраторов. При одной настройке, когда токи во всех вибраторах изменяются одновременно (синфазно), луч направляется перпендикулярно поверхности, по которой расположены вибраторы, а при другой настройке электромагнитный луч направляется вдоль этой поверхности. Можно настроить токи и на любой другой угол.
В прожекторах видимого света, чтобы изменить направление светового луча, поворачивают все зеркало. А направленные антенны могут шарить своим лучом по небу, сами оставаясь неподвижными. Перемещение луча производится при помощи электрической настройки.
Для волн длиной в десятки метров направленные антенны составляют из проволок диаметром в несколько миллиметров, отстоящих одна от другой на несколько метров. Для световых лучей такая конструкция совершенно прозрачна. Световые лучи проходят через такую антенну, теряя лишь тысячные доли своей интенсивности.
А радиоволны длиной в десятки метров отражаются от такой редкой проволочной сетки на 99,9%. Так отразились бы световые волны от гладкой полированной поверхности.
Зеркало в виде сетки из настроенных проводников уже имеет очень мало общего с зеркалами для лучей видимого света.
12-10. Резкий перелом
При каждом изменении Ζ/λ происходит изменение конструктивных форм трансформаторов электромагнитной энергии. Но в области, в которой это отношение близко к единице, в середине нашего графика переход от одной конструкции к другой — наиболее резкий, наиболее разительный.
Объектив телескопа может быть в тысячи раз больше объектива микроскопа. Во столько же раз, следовательно, разнится у этих приборов отношение их размеров к длине волны. Для телескопа оно может быть больше 106, а для микроскопа меньше 103. Но принципиальной разницы в конструкциях объективов телескопа и микроскопа нет. Дело только в абсолютных размерах.
При переходе же от трансформатора с отношением Ζ/λ=10 к трансформатору с отношением Ζ/λ=0,1 (соотношение меняется в 100 раз, т. е. меньше, нежели при переходе от телескопа к микроскопу), разница в конструкциях разительная.
Когда Ζ/λ>1, то говорят о трансформации лучей, а когда Ζ/λ<1, то говорят, что трансформатор меняет соотношение между токами и напряжениями.
12-11. Самые тонкие лучи и наименьший размер зеркал
Лучом называют поток волн или частиц, но не всякий, а только такой поток, длина которого больше его поперечных размеров. Говоря о луче видимого света, мы представляем себе нечто весьма тонкое. Но ведь понятие «луч» применимо к любым волнам — и к тем, что бегут по поверхности воды, и к волнам звука, и к электромагнитным волнам любых длин.
Можно говорить о луче волн только в тех случаях, когда поперечные размеры этого луча в несколько раз больше длины волны. Длина волн видимого света — это десятые доли микрона. Поэтому световой луч может иметь поперечные размеры меньше одного миллиметра. А если взять переменный ток с частотой 50 Гц, то ему соответствует электромагнитная волна длиной 6 000 км. Луч таких волн должен иметь поперечные размеры больше диаметра земного шара.
С понятием луча связано понятие излучения — испускания лучей. Это явление может происходить, только если размеры колеблющегося тела излучателя не слишком малы по сравнению с длиной волны. Если размеры колеблющегося тела (колебания могут быть и механические, и электромагнитные) в несколько раз меньше длины волны, то излучение уже не имеет места, энергия не отрывается от колеблющегося тела малых размеров.
И об отражении, и о преломлении можно говорить лишь в тех случаях, когда размеры отражателей и преломителей в несколько раз превышают длины волн.
Самое маленькое зеркало должно иметь размеры, в несколько раз превышающие длину волны, которую оно отражает.
